Waarom regen bij lage druk?

In Nederland ontstaan de meeste regenbuien uit depressies, ook wel lagedrukgebieden geheten. Een lage druk van 990 hPa geeft in Nederland een kans van maar liefst 80% op regen, een hoge druk van 1020 hPa een kans van slechts 10%.

Lucht is bij lage druk lichter dan bij hoge druk en stijgt op (Archimedes). Bij stijging zuigt het aan de onderkant weer nieuwe lucht aan uit de omgeving. De opstijgende lucht koelt af, waardoor de waterdamp die het bevat (H2O-gas) condenseert tot regendruppels die naar beneden vallen.

En dan heb je regen!

Warme lucht bevat namelijk meer waterdamp dan koude lucht. Hoe warmer, hoe drukker de watermoleculen bewegen, en hoe makkelijker ze uit de vloeistofvorm ontsnappen en damp worden. Als lucht afkoelt wordt waterdamp weer water.

Maar hoe ontstaat een lagedrukgebied?

Een lagedrukgebied op onze breedtegraad ontstaat meestal als koude luchtstromen uit het Noorden en warme luchtstromen uit het Zuiden elkaar tegenkomen (frontale depressie).

De koude luchtstromen die ons bereiken komen van de Noordpool, waar hoog in de atmosfeer aangezogen lucht afkoelt, zwaar wordt, zakt en door de hoge druk laag op het oppervlak wegstroomt van de pool af, dus naar het zuiden (het zogenaamde ronddraaiende atmosferische ‘Polar wiel’).

De warme luchtstromen die ons bereiken komen van de evenaar. Daar wordt lucht aan het oppervlak opgewarmd, stijgt op, trekt hoog in de atmosfeer naar de 30^e breedtegraad om daar af te koelen en te zakken, en wordt over het aardoppervlak weer aangezogen door de lage druk aan de evenaar (het zo rond draaiende atmosferische ‘Hadley-wiel’).

Tussen het Polar wiel en het Hadley wiel zit nog een derde wiel (Ferrel-wiel) dat door het Polar en het Hadley wiel wordt aangedraaid en vanaf de 30^e breedtegraad relatief warme lucht over het aardoppervlak naar de 60^e breedtegraad beweegt.

Die warme lucht uit het zuiden en koude lucht uit het noorden stromen overigens niet recht op elkaar af, zoals je zou verwachten, want alles wat op het noordelijk halfrond beweegt buigt een beetje af naar rechts. Dat komt omdat de aarde ondertussen draait. Denk aan een knikker die je over een ouderwetse draaitafel rolt. Voor jou rolt die rechtdoor, maar iemand die ‘op de draaitafel leeft’ ziet de knikker langs een spiraal bewegen.

Zo komt het dat als je boven de evenaar fietst, in welke richting dan ook, je altijd een kleine kracht (tienduizend maal zo klein als de zwaartekracht) naar rechts ervaart. Zo stroomt de warme lucht die naar het noorden wil een beetje naar het oosten, en de koude die naar het zuiden wil een beetje naar het westen.

Om dezelfde reden verandert een kogel aan een lange slinger gedurende een dag in Nederland langzaam 280 graden van slingerrichting (Foucault liet zoiets in 1851 in Parijs al zien).

Koud en warm komen elkaar dus zo rond de 60^e breedtegraad tegen (bij Schotland en Noorwegen), en schuren langs elkaar. Dan ontstaan op het grensvlak eerst golfvormen, waarna zich de warme lucht in de koude dringt en een wig ontstaat. Dan volgt een spiraalbeweging (tegen de klok in) van lucht om een kern die door al die stromingen een lagere druk heeft dan de omgeving: een lagedrukgebied (depressie). Dat lagedrukgebied wordt door de hoge westelijke straalstroom over de Atlantische oceaan richting Nederland gedreven, en wordt of blijft relatief warm en vochtig.

Maar hoe hangen lage druk en warm samen?

Volgens de ideale gaswet is de luchtdruk evenredig met de luchtdichtheid x de temperatuur. De gemiddelde luchtdruk op aarde wordt hoofdzakelijk bepaald door het gewicht van de totale hoeveelheid gassen in de atmosfeer, verdeeld over het aardoppervlak. De atmosfeer is in totaal zo’n 1000 km dik. Het onderste deel (‘troposfeer’ genoemd) is zo’n 15 km dik en bevat zo’n 80% van alle lucht. In de troposfeer is veel luchtstroming (tropos betekent ‘bewegen’) en is het flink koud (zo’n 50C onder nul). Voorbij de troposfeer wordt het griezelig ijl.

In totaal rust er gemiddeld een atmosferische ‘kolom’ lucht van 10,000 kg op 1 m² aardoppervlak. Meer precies: de luchtdruk op het aardoppervlak is 1.013 bar = 1013 hPa = 1 atmosfeer.

Die kolom wordt niet veel minder zwaar als het helemaal onderin lokaal wat warmer is. De luchtdruk op aarde varieert met maar zo'n 2%. Dit terwijl de (absolute) temperatuur met wel 20% kan variëren tussen dag en nacht en tussen pool en evenaar.

Bij een ongeveer constante druk varieert volgens de ideale gaswet (zie 2.5) de luchtdichtheid omgekeerd evenredig met de temperatuur. Lucht “zet uit” als het warmer wordt, en wordt dan lichter.

Het warme lagedrukgebied dat regen veroorzaakt heeft dus meestal een lagere luchtdichtheid.

Wat betekent luchtdichtheid voor het zuurstofgehalte?

In warme lucht bewegen de moleculen meer uitbundig, raken verder van elkaar af, en dan zitten er minder van in een kubieke meter. Warme lucht is dus lichter dan koude lucht. Bij een gelijke druk van 1 atmosfeer geeft een temperatuur van 25°C onder nul een luchtdichtheid van 1.42 kg/m3 (zware lucht), maar bij lucht van 35°C boven nul wordt de luchtdichtheid 1.15 kg/m3 (lichte lucht).

Er zit bij lage luchtdichtheid dan ook minder zuurstof in een teug lucht dan de gebruikelijke hoeveelheid.

Dus minder zuurstof bij regen

Alles bij elkaar nemend wordt regen veroorzaakt door een warm lagedrukgebied, dat een lagere luchtdichtheid heeft, en dus een lager zuurstofgehalte. Fietsen in de regen geeft dus mínder aerobisch vermogen, en minder energie!

Elk nadeel heeft zijn voordeel

Er zijn wat betreft fietsprestaties ook interessante voordelen van een relatief warm en vochtig lagedrukgebied.

Ten eerste geeft een lagere luchtdichtheid minder luchtweerstand (zie 2.2).

Ten tweede bevat vochtige lucht meer waterdamp. En toevoeging van waterdamp aan lucht (verhoging luchtvochtigheid) reduceert de luchtdichtheid, en daarmee de luchtweerstand! Want de molaire massa van waterdamp (18 g/mol) is lager dan die van droge lucht (29 g/mol)!

Ten derde lossen waterdruppels meer CO2 op dan zuurstof, waardoor de relatieve concentratie zuurstof weer toeneemt.

En als laatste voordeel geeft regen meer afkoeling en dus een hoger rendement.

Om al deze voor- en nadelen tegen elkaar af te wegen, moet ik nog eens een lange fietstocht maken, wellicht in de regen ...